一种多重多原子共掺杂碳气凝胶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种多重多原子共掺杂碳气凝胶及其制备方法和应用，制备方法为：步骤一、将氧化石墨、含杂原子化合物和还原剂混合分散加热形成混合分散液；加入将氧化碳纳米管溶液；水热反应形成杂原子掺杂的碳水凝胶；冷冻干燥得到一重杂原子掺杂碳气凝胶；步骤二、将氧化碳纳米管、含杂原子化合物和还原剂混合得到混合溶液；将混合溶液灌入刺孔的一重杂原子掺杂碳气凝胶中；水热反应形成双重双原子共掺杂的碳水凝胶；冷冻干燥得到双重双原子共掺杂碳气凝胶；步骤三、重复步骤二多次；步骤四、浸泡于活化剂中；步骤五、热还原得到还原过的多重多原子共掺杂碳气凝胶。本发明专利技术制备的碳气凝胶具有导电性好等优点，改善了锂离子电池电芯的存液能力等。的存液能力等。

【技术实现步骤摘要】
一种多重多原子共掺杂碳气凝胶及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于锂电池
，涉及一种材料，尤其涉及一种多重多原子共掺杂碳气凝胶及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池自1991年首次商业化以来，极大的改善了人们的生活方式。但是随着现代社会的快速发展，人们对锂离子电池能量密度的要求越来越高。
[0003]目前商品化锂离子电池正极、负极匀浆工艺是将活性物质粉末、导电剂、粘结剂分散成浆料后涂布在铝箔、铜箔表面形成正极、负极极片。活性物质应均匀分散没有团聚，且导电剂颗粒也应分散均匀，形成全方位的导电网络，起到多尺度综合提升电子电导率的作用。通常活性颗粒，特别是正极颗粒的电子电导率很低，需要加入很多的导电剂，或者导电性更好的导电剂。更多的导电剂添加量，势必牺牲活性物质比例，与高能量密度方向背道相驰。导电性更好的导电剂，近年来一直主流的仍是炭黑、科琴黑、CNT、VGCF、石墨烯等，各有各的优缺点。于是为了发挥各自的优点，很多专利都在这几款导电剂基础上进行两种或以上复合，采用各种物理混合的方式将导电剂充分分散，得到混合导电剂来提升材料性能。但是这些通过单纯的物理混合而成的导电剂在电池耐久性验证中容易出现一致性不好，不利于电池长久性能的发挥。另外，虽然混合使用后导电剂用量减少活性物质比例提高了，但是如今高能量密度电芯正、负极片压实均较高，极片孔隙率大大缩减，这就导致后期注液后电解液完全浸润极片时间加长，影响电芯制作周期，且加压化成后电芯存液量减少，导致电芯的长期循环容量保持率和膨胀率变差，尤其是对高温有一定要求的体系，更是影响甚大。
[0004]为了满足对高温循环性能要求较高的项目需求，一方面去开发性能更优的电解液，减少循环过程中电解液的消耗速度，另一方面就是简单的增加电芯存液量。适当减小压实保留更多的孔隙或者保留游离态电解液虽然能够实现，但是存液量提升幅度要么很小，要么会显著增加电池厚度，这都将影响能量密度的提升，均不是明智之举。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对在高能量密度体系中，正极片、负极片高压实导致存液量减少、追求活性物质比例的提升导致导电性能不足等问题，提供一种多重多原子共掺杂碳气凝胶，正极片或者负极片中添加少量的该多重多原子共掺杂碳气凝胶，电芯的存液能力、倍率性能、循环性能，尤其各种高温长期循环容量保持率和膨胀率均表现出明显的提升。
[0006]本专利技术巧妙性的采用水热反应，以石墨烯为骨架，反复分步、多次、少量引入碳纳米管，制备多重碳水凝胶；同时凝胶化过程中，对碳水凝胶进行改性和功能化；然后借助冷冻干燥技术保持原有多孔结构形成碳气凝胶，最后对碳气凝胶进行活化、还原。本专利技术通过一定体积内凝胶化反复循环，形成了高导高密度多重碳水凝胶；同时杂原子掺杂过的碳水凝胶表面化学和元素组成乃至电活性位点等得到有效的调控；最终的活化达到再次造孔效果，拓宽孔径分布范围。然后将一定量的多重多原子共掺杂碳气凝胶加入到正极或者负极
浆料中，制备高能量密度锂离子电池。
[0007]经过广泛的研究和反复的试验发现，通过本专利技术制备的多重多原子共掺杂碳气凝胶比表面积大、吸附能力强、导电性好、纳米微结构可控，且易分散均匀，将其应用于锂离子电池中，大大改善了电芯的存液能力、倍率性能和循环性能。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供一种多重多原子共掺杂碳气凝胶的制备方法，具有这样的特征：包括以下步骤：
[0009]步骤一、将氧化石墨、含杂原子化合物和还原剂混合，并分散于去离子水中，加热反应形成混合分散液；将氧化碳纳米管分散于去离子水中，得到氧化碳纳米管溶液；将混合分散液持续加热，并在搅拌条件下，将氧化碳纳米管溶液加入混合分散液中；然后进行水热反应，形成杂原子掺杂的碳水凝胶；冷冻干燥，得到一重杂原子掺杂碳气凝胶；
[0010]步骤二、将氧化碳纳米管、含杂原子化合物和还原剂混合，分散于去离子水中，得到混合溶液；在步骤一制得的一重杂原子掺杂碳气凝胶表面进行刺孔，再将其转移至容器中，将混合溶液灌入刺孔的一重杂原子掺杂碳气凝胶中；然后进行水热反应，形成双重双原子共掺杂的碳水凝胶；冷冻干燥，得到双重双原子共掺杂碳气凝胶；
[0011]步骤三、重复步骤二多次，得到多重多原子共掺杂碳气凝胶；重复次数根据实际需求而定，即重复步骤二多次，直至多重多原子共掺杂碳气凝胶达到所需效果；
[0012]步骤四、将步骤三得到的多重多原子共掺杂碳气凝胶浸泡于活化剂中刻蚀、活化，再用去离子水进行充分洗涤、干燥；
[0013]步骤五、将步骤四干燥好的多重多原子共掺杂碳气凝胶在惰性气氛中热还原，得到还原过的多重多原子共掺杂碳气凝胶成品；所述还原过的多重多原子共掺杂碳气凝胶成品D50范围为0.5μm～8μm；
[0014]其中，所述含杂原子化合物为含N、S、P、B等不同元素的无机或有机化合物；步骤一中的含杂原子化合物所含元素不同于步骤二中的含杂原子化合物所含元素，步骤三中的含杂原子化合物所含元素同于或不同于步骤一中的含杂原子化合物所含元素、步骤二中的含杂原子化合物所含元素。
[0015]进一步，本专利技术提供一种多重多原子共掺杂碳气凝胶的制备方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤一中，所述氧化石墨、含杂原子化合物和还原剂的质量比为1∶(1～5)∶(1～3)，氧化石墨、含杂原子化合物和还原剂分散于去离子水中，混合固体质量比例为0.1％～20％；所述氧化碳纳米管分散于去离子水中，质量比例为0.05％～30％；所述氧化石墨与氧化碳纳米管的质量比为1∶(0.05～1)。
[0016]进一步，本专利技术提供一种多重多原子共掺杂碳气凝胶的制备方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤二中，所述氧化碳纳米管、含杂原子化合物和还原剂的质量比为1∶(1～5)∶(1～3)，氧化碳纳米管、含杂原子化合物和还原剂分散于去离子水中，混合固体质量比例为0.05％～20％。
[0017]进一步，本专利技术提供一种多重多原子共掺杂碳气凝胶的制备方法，还可以具有这样的特征：其中，所述还原剂为抗坏血酸、硼氢化钠、硫化钠、水合肼等具有还原性的无机或有机化合物中的一种，或者任一混合物；所述氧化碳纳米管为氧化单壁碳纳米管、氧化多壁碳纳米管中的一种或者混合。
[0018]进一步，本专利技术提供一种多重多原子共掺杂碳气凝胶的制备方法，还可以具有这
样的特征：其中，步骤一中，加热反应的温度为50℃～100℃，形成混合分散液的加热时间为30min～5h，混合分散液的粘度为100mPa.s～10000mPa.s。
[0019]进一步，本专利技术提供一种多重多原子共掺杂碳气凝胶的制备方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤一和步骤二中，水热反应的温度为110℃～200℃，水热反应的时间为2h～10h。
[0020]进一步，本专利技术提供一种多重多原子共掺杂碳气凝胶的制备方法，还可以具有这样的特征：步骤一和步骤二中，材料分散于去离子水中的方式为超声分散，超声分散时间为1h～3h。
[0021]进一步，本专利技术提供一种本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多重多原子共掺杂碳气凝胶的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、将氧化石墨、含杂原子化合物和还原剂混合，并分散于去离子水中，加热反应形成混合分散液；将氧化碳纳米管分散于去离子水中，得到氧化碳纳米管溶液；将混合分散液持续加热，并在搅拌条件下，将氧化碳纳米管溶液加入混合分散液中；然后进行水热反应，形成杂原子掺杂的碳水凝胶；冷冻干燥，得到一重杂原子掺杂碳气凝胶；步骤二、将氧化碳纳米管、含杂原子化合物和还原剂混合，分散于去离子水中，得到混合溶液；在步骤一制得的一重杂原子掺杂碳气凝胶表面进行刺孔，再将其转移至容器中，将混合溶液灌入刺孔的一重杂原子掺杂碳气凝胶中；然后进行水热反应，形成双重双原子共掺杂的碳水凝胶；冷冻干燥，得到双重双原子共掺杂碳气凝胶；步骤三、重复步骤二多次，得到多重多原子共掺杂碳气凝胶；步骤四、将步骤三得到的多重多原子共掺杂碳气凝胶浸泡于活化剂中刻蚀、活化，再用去离子水进行充分洗涤、干燥；步骤五、将步骤四干燥好的多重多原子共掺杂碳气凝胶在惰性气氛中热还原，得到还原过的多重多原子共掺杂碳气凝胶成品；其中，步骤一中的含杂原子化合物所含元素不同于步骤二中的含杂原子化合物所含元素，步骤三中的含杂原子化合物所含元素同于或不同于步骤一中的含杂原子化合物所含元素、步骤二中的含杂原子化合物所含元素。2.根据权利要求1所述的多重多原子共掺杂碳气凝胶的制备方法，其特征在于：其中，步骤一中，所述氧化石墨、含杂原子化合物和还原剂的质量比为1∶(1～5)∶(1～3)，氧化石墨、含杂原子化合物和还原剂分散于去离子水中，混合固体质量比例为0.1％～20％；所述氧化碳纳米管分散于去离子水中，质量比例为0.05％～30％；所述氧化石墨与氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔丽娟，严涛，张明慧，徐子福，
申请(专利权)人：安普瑞斯无锡有限公司，
类型：发明
国别省市：